Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий

Проанализированы существующие способы снижения теплопроводности слоя ZrO₂-Y₂O₃ современных термобарьерных покрытий. Приведены результаты исследований теплопроводности некоторых вариантов внешнего керамического слоя ZrO₂-8 мас. % Y₂O₃ толщиной 190 мкм, полученных способом электронно-лучевого испарени...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автор:	Яковчук, К.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Современная электрометаллургия
Теми:	Электронно-лучевые процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96909
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий / К.Ю. Яковчук // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 4 (117). — С. 25-31. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96909
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-969092016-03-23T03:02:24Z Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий Яковчук, К.Ю. Электронно-лучевые процессы Проанализированы существующие способы снижения теплопроводности слоя ZrO₂-Y₂O₃ современных термобарьерных покрытий. Приведены результаты исследований теплопроводности некоторых вариантов внешнего керамического слоя ZrO₂-8 мас. % Y₂O₃ толщиной 190 мкм, полученных способом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме при различных значениях температуры подложки, включая градиентный слой ZrO₂-8 мас.%Y₂O₃+ Gd₂O₃ толщиной 150 мкм, в интервале температуры измерений 20...1000 °С. Представлены результаты исследований структуры и свойств (микротвердости и термоциклической долговечности) градиентных термобарьерных покрытий на образцах из жаропрочного сплава ЖС32ВИ и CMSX-4, содержащих металлический жаростойкий слой NiCoCrAlY или NiAl, а также внешний керамический слой ZrO₂-Y₂O₃, осажденный при различных технологических параметрах. Показано, что перспективными направлениями для снижения теплопроводности внешнего керамического слоя до уровня 0,9...1,1 Вт/мрК без существенного снижения (не более 10 %) их термоциклической долговечности является осаждение керамического слоя с градиентной микроструктурой путем введения в его состав редкоземельных оксидов, а также постепенное снижение температуры подложки (защищаемой детали) в процессе нанесения покрытия. Existing methods of reducing the heat conductivity of ZrO₂—Y₂O₃ layer of modern thermal barrier coatings were analyzed. Given are the results of investigations of heat conductivity of some variants of external ceramic layer ZrO₂—8 mass.% Y₂O₃ of 190 μm thickness, produced by the method of electron beam evaporation and condensation in vacuum at different values of substrate temperature, including the gradient layer ZrO₂—8 mass.% Y₂O₃ + Gd₂O₃ in the 20...1000 °C interval of temperature measurements. Presented are the results of investigations of structure and properties (microhardness and thermocyclic life) of gradient thermal barrier coatings on samples of high-temperature alloy ZhS32VI and CMSX-4, containing a metallic high-temperature layer of NiCoCrAlY or NiAl, and also the external ceramic layer ZrO₂—Y₂O₃, deposited at different technological parameters. It is shown that challenging directions for reducing the heat conductivity of external ceramic layer to the level of 0.9...1.2 W/m⋅K without the noticeable reduction (not more than 10 %) of their thermocyclic life is the deposition of ceramic layer with a gradient microstructure by adding of rare-earth oxides into its composition, as well as a gradual reduction in temperature of the substrate (part being protected) in the process of coating deposition. 2014 Article Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий / К.Ю. Яковчук // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 4 (117). — С. 25-31. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96909 669.187.526.001.5 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы
spellingShingle	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Яковчук, К.Ю. Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий Современная электрометаллургия
description	Проанализированы существующие способы снижения теплопроводности слоя ZrO₂-Y₂O₃ современных термобарьерных покрытий. Приведены результаты исследований теплопроводности некоторых вариантов внешнего керамического слоя ZrO₂-8 мас. % Y₂O₃ толщиной 190 мкм, полученных способом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме при различных значениях температуры подложки, включая градиентный слой ZrO₂-8 мас.%Y₂O₃+ Gd₂O₃ толщиной 150 мкм, в интервале температуры измерений 20...1000 °С. Представлены результаты исследований структуры и свойств (микротвердости и термоциклической долговечности) градиентных термобарьерных покрытий на образцах из жаропрочного сплава ЖС32ВИ и CMSX-4, содержащих металлический жаростойкий слой NiCoCrAlY или NiAl, а также внешний керамический слой ZrO₂-Y₂O₃, осажденный при различных технологических параметрах. Показано, что перспективными направлениями для снижения теплопроводности внешнего керамического слоя до уровня 0,9...1,1 Вт/мрК без существенного снижения (не более 10 %) их термоциклической долговечности является осаждение керамического слоя с градиентной микроструктурой путем введения в его состав редкоземельных оксидов, а также постепенное снижение температуры подложки (защищаемой детали) в процессе нанесения покрытия.
format	Article
author	Яковчук, К.Ю.
author_facet	Яковчук, К.Ю.
author_sort	Яковчук, К.Ю.
title	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий
title_short	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий
title_full	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий
title_fullStr	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий
title_full_unstemmed	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий
title_sort	теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Электронно-лучевые процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96909
citation_txt	Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий / К.Ю. Яковчук // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 4 (117). — С. 25-31. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT âkovčukkû teploprovodnostʹitermocikličeskaâdolgovečnostʹkondensacionnyhtermobarʹernyhpokrytij
first_indexed	2025-07-07T04:13:33Z
last_indexed	2025-07-07T04:13:33Z
_version_	1836960044233523200
fulltext	УДК 669.187.526.001.5 ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КОНДЕНСАЦИОННЫХ ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ К. Ю. Яковчук Государственное предприятие «Международный центр электронно-лучевых технологий ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины». 03150, г. Киев-150, ул. Горького, 68. E-mail: jakovchuk@paton.icebt.kiev.ua Проанализированы существующие способы снижения теплопроводности слоя ZrO2—Y2O3 современных термобарь- ерных покрытий. Приведены результаты исследований теплопроводности некоторых вариантов внешнего керамичес- кого слоя ZrO2—8 мас. % Y2O3 толщиной 190 мкм, полученных способом электронно-лучевого испарения и конден- сации в вакууме при различных значениях температуры подложки, включая градиентный слой ZrO2—8 мас.%Y2O3 + Gd2O3 толщиной 150 мкм, в интервале температуры измерений 20...1000 °С. Представлены результаты исследований структуры и свойств (микротвердости и термоциклической долговечности) градиентных термобарьерных покрытий на образцах из жаропрочного сплава ЖС32ВИ и CMSX-4, содержащих металлический жаростойкий слой NiCoCrAlY или NiAl, а также внешний керамический слой ZrO2—Y2O3, осажденный при различных технологических параметрах. Показано, что перспективными направлениями для снижения теплопроводности внешнего керамического слоя до уровня 0,9...1,1 Вт/м⋅К без существенного снижения (не более 10 %) их термоциклической долговечности является осаждение керамического слоя с градиентной микроструктурой путем введения в его состав редкоземельных оксидов, а также постепенное снижение температуры подложки (защищаемой детали) в процессе нанесения покрытия. Библиогр. 22, ил. 7. Ключ е вы е с л о в а : конденсационные покрытия; внешний керамический слой; теплопроводность слоя; диоксид циркония; жаропрочные сплавы; термоциклическая долговечность; конденсационные покрытия; гра- диентные термобарьерные покрытия Широкое распространение термобарьерных (тепло- защитных) покрытий обусловлено ростом мощно- сти, КПД и рабочей температуры газотурбинных двигателей (ГТД), необходимостью защиты их де- талей от агрессивного воздействия высокотемпера- турного газового потока. Применяемые ранее на рабочих и сопловых лопатках ГТД жаростойкие ме- таллические покрытия (типа MeCrAlY или на осно- ве алюминидов) уже не могли обеспечить требуе- мый ресурс при температуре газа более 1200 °С, в том числе на воздухоохлаждаемых лопатках, изго- товляемых из никелевых и кобальтовых жаропроч- ных сплавов [1—3]. Традиционное термобарьерное покрытие, осаж- даемое на поверхность подложки из жаропрочного сплава, представляет собой многослойную компози- цию: внутренний металлический жаростойкий слой на основе алюминидов или сплавов типа MeCrAlY и внешний керамический слой с низким уровнем теплопроводности на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия ZrO2—Y2O3 (YSZ). Использование данных покрытий на лопатках обеспечило возможность повышения температуры газового потока и повысило работоспособность за- щищаемых лопаток за счет снижения температуры поверхности жаропрочного сплава [1—5]. Нанесение многослойных термобарьерных по- крытий производится с использованием различных технологических процессов (диффузионное насы- щение, плазменное напыление, электронно-лучевое осаждение). К настоящему времени признано, что наибольшей долговечности внешнего керамическо- го слоя YSZ достигают при его нанесении путем электронно-лучевого испарения и конденсации в ва- кууме за счет формирования столбчатой микрострук- туры, обеспечивающей релаксацию возникающих при теплосменах термических напряжений [2—6]. Совершенствование термобарьерных покрытий необходимо для улучшения их служебных характе- ристик, в первую очередь снижения теплопровод- ности внешнего керамического слоя (что позволяет уменьшить термическую нагрузку на жаростойкий металлический слой и защищаемую деталь) и повы- шения срока их службы на деталях из жаропрочных сплавов в условиях теплосмен (термоциклической долговечности). Одним из главных факторов, определяющих уровень теплопроводности конденсационного слоя© К. Ю. ЯКОВЧУК, 2014 25 YSZ со столбчатой микроструктурой, является его пористость (меж- и внутристолбчатая) [7—9], кото- рая в свою чередь зависит от таких факторов, как химический состав, толщина керамического слоя и технологические параметры его осаждения (темпе- ратура подложки, угол падения парового потока относительно подложки, рельеф поверхности кон- денсации, давление остаточных газов в вакуумной камере при нанесении покрытия, скорость осаж- дения покрытия) [10—12]. Применение для снижения теплопроводности дополнительного легирования внешнего слоя YSZ путем введения в его состав различных редкозе- мельных оксидов (REO) отрицательно сказывается на термоциклической долговечности покрытия. По- этому требуется создание двухслойных керамичес- ких композиций типа YSZ/YSZ + REO, в которых с подложкой контактирует слой традиционного YSZ [13, 14]. Получение подобных многослойных струк- тур связано с усложнением технологического про- цесса, кроме того, появление границ раздела в кера- мическом слое также негативно сказывается на его напряженном состоянии и долговечности. Рассмотрены результаты исследований структу- ры, а также теплопроводности и термоциклической долговечности различных вариантов многослойных термобарьерных покрытий (в том числе градиент- ных), полученных способом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме (EB PVD) по одностадийной технологии с использованием ком- позиционного керамического слитка [15]. Покрытия наносили путем испарения металли- ческих и керамических слитков соответствующего химического состава диаметром 68,5 мм в электрон- но-лучевой установке типа УЕ-207 [16] с использо- ванием прямого электронно-лучевого нагрева об- разцов. Исследование теплопроводности проводили на образцах-купонах диаметром 12,7 мм сплава FeCrAlY толщиной 0,48 мм и сапфира толщиной 1,02 мм, на поверхность которых осаждали только керамичес- кий слой. Образцы закрепляли в гексагональной оснастке (рис. 1), установленной на горизонталь- ном валу электронно-лучевой установки над тиглем с испаряемым керамическим слитком. Оснастка вращалась со скоростью 25 об/мин. Ускоряющее напряжение составляло 20 кВ, ток луча для испарения – 1,4...1.5 А, вакуум – около 3⋅10—4 Па, расстояние от поверхности испаряемого слитка до образцов – 300 мм. Температуру образ- цов в процессе предварительного нагрева и осаж- дения покрытия контролировали хромель-алюмеле- выми термопарами, закрепленными в образце-сви- детеле. После осаждение слоя на основе YSZ толщиной 190 мкм значение теплопроводности определяли в Аэ- рокосмическом центре (Германия) по методу «laser- flash» на оборудовании, описанном в работе [17]. Исследование микроструктуры, микротвердос- ти и термоциклической долговечности термобарьер- ных покрытий выполняли на образцах никелевых жаропрочных сплавов типа ЖС32ВИ и CMSX-4 толщиной 4 мм и диаметром соответственно 12,5 и 25,4 мм. Перед нанесением термобарьерного покры- тия по одностадийной технологии на поверхность образцов, нагретых до 950 °С, осаждали жаростой- кий металлический слой Ni—18 % Co—18 % Cr— 11,5 % Al—0,4 % Y толщиной 80...90 мкм или NiAl толщиной 45...50 мкм путем электронно-лучевого испарения сплава соответствующего состава, распо- ложенного в одном из тиглей установки. Сразу пос- ле нанесения металлического слоя оснастку с образ- цами перемещали, располагали над испарителем ка- русельного типа [15, 16], откуда осуществляли про- цесс нагрева и испарения композиционного керами- ческого слитка и внешнего керамического слоя (тол- щина слоя составляла 120...150 мкм). Заключитель- ной операцией для таких образцов после нанесения покрытия являлся вакуумный отжиг при темпера- туре 1100 °С, 1 ч. Микроструктуру и микротвердость полученных покрытий, а также толщину индивидуальных слоев исследовали на оптическом микроскопе PolуvarMet и сканирующем электронном микроскопе CamScan 4D. Состав осажденного слоя определяли энергоди- сперсионным рентгеновским методом (EDX) при помощи приставки INCA-200. Исследования термоцикли- ческой долговечности термо- барьерных покрытий проведе- ны на установке Automatic Rapid Temperature Furnace CM (США) по следующему режи- му: нагрев на воздухе до 1150 °C, 7 мин, выдержка об- разцов в печи при этой темпе- ратуре в течение 45 мин, охлаж- дение образцов воздушным по- током вентилятора до темпера- туры 40 °C в течение 8 мин. Ис- пытания прекращали после раз- рушения покрытия, за которое принимали отслоение внешнегоРис. 1. Схема расположения оснастки с образцами в процессе испарения (a) и внешний вид (б) образцов-купонов, закрепленных в оснастке 26 керамического слоя покрытия с 20 % площади поверхности образца. Одновременно испытывали по 3...5 образцов каждого варианта покрытия. На рис. 2 приведены микроструктуры внешнего керамического слоя 8YSZ, а также слоя 8YSZ, леги- рованного оксидом гадолиния, осажденных при различной температуре подложки. Основным пара- метром, определяющим структуру осажденного слоя, является температура подложки (поверхности конденсации) [18]. Атомы (молекулы) из парового потока испаряемого материала, имеющие опреде- ленную кинетическую энергию, в процессе взаимо- действия (соударений) с поверхностью конденса- ции переходят в адсорбированное состояние и обме- ниваются энергией с поверхностными атомами под- ложки, мигрируя по ее поверхности. Температура поверхности конденсации предопределяет уровень термической активности адсорбированных атомов, количество «прыжков» на поверхности, вероят- ность соударений и взаимодействия с другими ад- сорбированными атомами, а также формирование соотвествующей атомной конфигурации осаждае- мого слоя [18]. Наиболее высокой долговечностью в условиях теплосмен отличается слой диоксида циркония с четко выраженной столбчатой микро- структурой, содержащей множество индивидуаль- ных столбчатых кристаллитов, отделенных друг от друга межстолбчатыми порами. Для надежного формирования подобной структуры при прямом электронно-лучевом испарении частично или пол- ностью стабилизированного диоксида циркония температуру подложки поддерживают на довольно высоком уровне (850...1050 °С). Как следует из приведенных на рис. 2 микроструктур, при изме- нении химического состава керамики на основе ди- оксида циркония или температуры подложки в про- цессе осаждения столбчатый характер слоя YSZ ос- тается неизменным, однако размеры и внутренняя структура единичных столбчатых кристаллитов из- меняются. При температуре подложки 850 °С диаметр еди- ничных столбчатых кристаллитов 8YSZ (рис. 2, а, г), ориентированных по нормали к поверхности конден- сации, составляет около 4...6 мкм, размер межкрис- таллитных пор и пустот не превышает 1 мкм, каждый из индивидуальных цилиндрических столбчатых крис- таллитов является плотным и беспористым, его микро- твердость находится на уровне 3 ГПа. При снижении температуры осаждения до 600 °C формируется структура слоя 8YSZ (рис. 2, б, д), содержащая кристаллиты диаметром около 2 мкм, в отдельных местах достаточно плотно сое- диненные друг с другом. При этом каждый кристал- лит имеет характерное дендритоподобное строение и многочисленные внутрикристаллитные поры раз- мером около 1 мкм, микротвердость слоя находится на уровне 2 ГПа. Результаты измерения теплопроводности раз- личных вариантов внешнего керамического слоя на основе диоксида циркония (рис. 3) свидетельствуют о том, что при температуре подложки 850 °С уровень теплопроводности слоя 8YSZ в диапазоне значений Рис. 2. Микроструктура поперечного сечения внешнего керамического слоя в состоянии после осаждения при температуре подлож- ки, °С: а, г – 8YSZ, 850; б, д – 8YSZ, 600; в, е – 8YSZ + Gd2O3, 850; а—в – ×10000; г—е – ×20000 27 температуры измерений теплопроводности 20...1000 °С составляет 1,3...1,4 Вт/м⋅К (линии 1 и 2). Данный уровень теплопроводности несколько ниже упомянутых в литературе значений тепло- проводности конденсированного слоя 8YSZ (около 1,8 Вт/м⋅К) [3, 17, 19—21], полученных при более высоких значениях температуры подложки – 900...1000 °С. Понижение температуры подложки в процессе осаждения слоя 8YSZ до 600 °С (линия 4) приводит к существенному уменьшению уровня теплопровод- ности – до 0,9 Вт/м⋅К. Очевидно, что сформиро- вавшаяся в процессе конденсации (при температу- ре, пониженной до 600 °С) дендритная микрострук- тура единичных кристаллитов, содержащих внут- рикристаллитную (междендритную) пористость, обеспечивает уменьшение теплопроводности внеш- него керамического слоя более, чем на 30 %. На рис. 4, а представлена схема композиционно- го керамического слитка 8YSZ (а), содержащего верхнюю металлическую вставку из NiAl и донные вставки-стержни из оксида гадолиния. На рис. 4, б, в показаны распределение химических элементов по толщине градиентного покрытия NiAl/8YSZ + (8YSZ + Gd2O3) и его микроструктура. Осаждение подобных многослойных покрытий производится на электронно-лучевой установке за один техноло- гический цикл путем последовательного испарения указанного композиционного керамического слитка [15, 22], содержащего металлические или керами- ческие вставки, которые обеспечивают формирова- ние слоев покрытия требуемого состава и толщины. Особенностью даного покрытия является градиент- ный внешний керамический слой, содержащий внутреннюю зону 8YSZ толщиной около 30 мкм, которая граничит с поверхностью жаростойкого связующего слоя NiAl, и внешнюю зону толщиной около 120 мкм с градиентно увеличивающимся со- держанием оксида гадолиния – от 0 до 25 % (рис. 4, в). Рис. 3. Зависимость теплопроводности q внешнего керамического слоя от температуры измерения на подложке, °C: 1 – 8YSZ, под- ложка FeCrAlY, 850; 2 – 8YSZ, сапфировая, 850; 3 – 8YSZ + Gd2O3, подложка FeCrAlY, 850; 4 – 8YSZ, сапфировая, 600 Рис. 4. Схема композиционного керамичес- кого слитка (а), микроструктура градиент- ного покрытия NiAl/8YSZ + (8YSZ + Gd2O3) после осаждения и термообработки в вакууме при 1100 °C, 1 ч (б), распреде- ление химических элементов по его тол- щине (в) 28 Микроструктура слоя 8YSZ, содержащего около 20 % оксида гадолиния, представлена на рис. 2, в, е (после осаждения). Столбчатые кристаллиты имеют диаметр 4...6 мкм, размер межкристаллитных пор составляет 1,0...1,5 мкм. Наружная поверхность кристаллитов имеет дендритоподобную структуру, сердцевина кристаллитов остается плотной и бес- пористой. Внутри кристаллитов зафиксированы че- редующиеся слои из-за появления в процессе кон- денсации зон с различным содержанием оксида гадо- линия, микротвердость слоя составляет 2,2 ГПа. Теплопроводность данного покрытия толщиной 150 мкм равняется 1,1 Вт/м⋅К в интервале значений температуры измерения 20...850 °С и повышается до 1, 25 Вт/м⋅К при 1000 °С (рис. 3, линия 3). Снижение уровня теплопроводности градиентного керамического слоя с добавками оксида гадолиния по сравнению с теплопроводностью слоя 8YSZ мо- жет быть связано как с появлением внутристолбча- той пористости за счет образования при конденса- ции дендритоподобных столбчатых кристаллитов, так и со снижением фононной проводимости тепло- вого потока через кристаллическую решетку диок- сида циркония вследствие формирования более де- фектной флюоритной (или пирохлорной) структу- ры типа Gd2Zr2O7 с более низкой теплопровод- ностью [22]. Определяющим фактором при разработке или выборе термобарьерного покрытия является его тер- моциклическая долговечность на конкретной под- ложке (жаропрочном сплаве). На рис. 5 представ- лены результаты термоциклических испытаний тер- мобарьерных градиентных покрытий, содержащих жаростойкий слой на основе NiCoCrAlY + AlCr (или NiAl) с указанными вариантами внешнего керами- ческого слоя. Наиболее высокой термоциклической долговеч- ностью характеризуется покрытие с внешним кера- мическим слоем 8YSZ, осажденным при температу- ре подложки 850 °С. При снижении температуры конденсации до 600 °С термоциклическая долговеч- ность слоя 8YSZ уменьшается в 4 раза (около 90 термоциклов). Однако, если начинать процесс оса- ждения слоя 8YSZ при температуре подложки 850 °С, а затем снизить ее температуру до 600 °С, то термоциклическая долговечность покрытия по- вышается до 210 термоциклов (рис. 3). Одним из возможных объяснений подобного эффекта может быть различие в микроструктуре керамического слоя, осаждающегося на металлическую поверх- ность при различных значениях температуры (рис. 6). Слой 8YSZ, осаждение которого началось и про- должалось при температуре подложки 600 °С (рис. 6), имеет дендритное строение столбчатых кристаллитов (микротвердость 2 ГПа), образовав- шихся практически у границы контакта с подлож- кой. При осаждении слоя 8YSZ на поверхность под- ложки, нагретой до 850 °С, образуется слой толщи- ной около 20 мкм (микротвердость 3,1 ГПа), состоя- щий из плотных столбчатых кристаллитов, которые с понижением температуры подложки до 600 °С по мере осаждения слоя трансформируются в кристал- литы с внутридендритной структурой (микротвер- дость слоя при этом снижается до 2 ГПа). Возмож- но, именно этот слой со столбчатой микрострукту- рой, примыкающий к подложке, обеспечивает более Рис. 5. Термоциклическая долговечность внешнего керамического слоя градиентных термобарьерных покрытий типа NiCoCrAlY + AlCr/8YSZ на жаропрочном сплаве ЖС32ВИ (1—4) и NiAl/8YSZ на жаропрочном сплаве CMSX-4 (5—6), осажденных при температуре подложки, °С: 1, 5 – слой 8YSZ, 850; 2 – слой 8YSZ, 600; 3 – слой 8YSZ, 850/600; 4, 6 – слой 8YSZ + Gd2O3, 850 Рис. 6. Микроструктура границы раздела слой 8YSZ—подложка при температуре подложки в начале конденсации 600 (а) и 850 °С (б), а также в процессе конденсации 600 °С (б), ×5000 29 высокую термоциклическую долговечность всего слоя 8YSZ за счет лучшей релаксации возникающих при теплосменах напряжений. Следует отметить, что исследования теплопроводности, представлен- ные на рис. 3 (линия 4), проведены на образце со слоем 8YSZ, осажденном на подложку с начальной температурой 850 °С и с последующим снижением температуры конденсации до 600 °С. Негативным фактором, сокращающим долговеч- ность керамического слоя, является низкое сопро- тивление спеканию под воздействием высокой тем- пературы. Слой 8YSZ, осажденный при 600 °С, уже после вакуумной термообработки при 1100 °С, 1 ч имел фрагментацию – растрескивание с появле- нием сквозных микротрещин от поверхности до под- ложки (рис. 7), а его микротвердость достигала 4,1 ГПа, в отличие от других исследованных по- крытий с микротвердостью ниже 4 ГПа и отсутст- вием фрагментации. Термоциклическая долговечность градиентного термобарьерного покрытия с добавками оксида га- долиния в слой 8YSZ близка к аналогичным зна- чениям долговечности слоя 8YSZ на образцах сплавов ЖС32ВИ и CMSX-4 (снижение уровня долговеч- ности не превышало 10 %) (рис. 5, столбцы 1, 4, 6). Выводы 1. Снижение температуры конденсации (подложки) от 850 до 600 °С при электронно-лучевом осаждении слоя 8YSZ толщиной 190 мкм приводит к переходу от микроструктуры, состоящей из плотных столб- чатых кристаллитов размером 4...6 мкм, к денд- ритно-столбчатой с кристаллитами размером около 2 мкм, имеющими внутристолбчатую пористость. При этом микротвердость снижается от 3 до 2 ГПа. 2. У дендритно-столбчатой микроструктуры слоя 8YSZ примерно на 30 % теплопроводность ни- же (на уровне 0,9 Вт/м⋅К), чем у слоя 8YSZ со столбчатой микроструктурой (1,3...1,4 Вт/м⋅К). 3. Переход от столбчатой к дендритно-столбча- той микроструктуре внешнего керамического слоя 8YSZ приводит к снижению его термоциклической долговечности в 4 раза. 4. Градиентное введение оксида гадолиния (до 25 %) в слой 8YSZ, осаждаемый при температуре подложки 850 °С, обеспечивает снижение его теп- лопроводности до 1,1 Вт/м⋅К (в результате форми- рования столбчатых кристаллитов размером 4... ...6 мкм с дендритоподобной поверхностью, внут- ренней микрослойной структурой, микротвердо- стью 2,2 ГПа при одновременном сохранении уров- ня термоциклической долговечности. 5. Одним из направлений дальнейших исследо- ваний применительно к снижению теплопроводности внешнего керамического слоя при одновременном повышении его термоциклической долговечности мо- жет стать оптимизация состава добавок редкоземель- ных оксидов в градиентную зону слоя 8YSZ со сту- пенчатым изменением температуры подложки при осаждения внешнего керамического слоя. Автор выражает искреннюю благодарность доктору Uwe Schulz (DLR, Germany) за предос- тавленные образцы и проведенные измерения теп- лопроводности, а также сотрудникам ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины Ю. Э. Рудому, А. В. Микитчику и В. В. Трохимченко за помощь при подготовке статьи. 1. Мовчан Б. А., Малашенко И. С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. – Киев: Наук. думка, 1983. – 232 с. 2. Miller R. A. Thermal barrier coatings for aircraft engines: History and Directions // J. of thermal spray technolo- gy. – 1997. – № 6. – Р. 36—42. 3. Levi C. G. Emerging materials and processes for thermal barrier systems // Solid state and materials science. – 2004. – № 38. – P. 77—91. 4. Clarke D. R., Oechsner M., Padture N. Thermal barrier coatings for more efficient gas-turbine engines // MRS Bulletin. – 2012. – 37, №10. – P. 891—898. 5. Каблов Е. Н., Мубояджан С. А. Жаростойкие и теплоза- щитные покрытия для лопаток турбин перспективных ГТД // Авиационные материалы и технологии: Юби- лейн. науч.-техн. сб. – М.: Наука, 2012. – С. 60—70. 6. Schulz U., Fritscher K., Ebach-Stahl A. Cyclic behaviour of EB-PVD thermal barrier coating systems with modified bond coats // Surface and Coatings Technology. – 2008. – 203. – P. 449—455. 7. Methods to reduce the thermal conductivity of EB-PVD TBCs / J. R. Nichols, K. J. Lawson, A. Johnstone, D. S. Ric- kerby // Ibid. – 2002. – 151—152. – P. 383—391. 8. Morphology and thermal conductivity of yttria-stabilized zirconia coatings / H. Zhao, F. Yu, T. D. Bennett, Рис. 7. Микроструктура (×600) покрытия NiCoCrAlY+(AlCr)/8YSZ, полученного по одностадийной технологии при осаждении внешнего керамического слоя (температура 600 °С) в состоянии после осаждения (а) и отжига в вакууме при 1100 °С, 1 ч (б) 30 H. N. G. Wadley // Acta mater. – 2006. – № 54. – P. 5195—5207. 9. Altun O., Boke Y. E. Effect of the microstructure of EB- PVD thermal barrier coatings on the thermal conductivity and the methods to reduce the thermal conductivity // Ar- chives of materials science and engineering. – 2009. – 40, is. 1. – P. 47—52. 10. Hass D. D., Slifka A. J., Wadley H. N. G. Low thermal conductivity vapor deposited zirconia, microstructures // Acta mater. – 2001. – № 49. – P. 973—983. 11. Thermal conductivity of zirconia coatings with Zig-Zag pore mic- rostructures / S. Gu., T. G. Lu, D. D. Hass, H. N. G. Wad- ley // Ibid. – 2001. – № 49. – P. 2539—2547. 12. Schulz U., Terry S.G., Levi C.G. Microstructure and textu- re of EB-PVD TBCs grown under different rotation mo- des // Materials science and engineering: A. – 2003. – 360, is. 1—2. – P. 319—329. 13. Environmental degradation of thermal barrier coatings by molten deposits / C. G. Levi, J. W. Hutchinson, M. H. Vidal-Setif, C. A. Johnson // MRS Bulletin. – 2012. – 37, № 10. – P. 932—941. 14. Thermal shock behaviour of toughened gadolinium zircona- te/YSZ double-layered thermal barrier coating / Xinghua Zhong, Huayu Zhao, Xiaming Zhou et al. // J. of alloy and compounds. – 2014. – № 593. – P. 50—55. 15. Яковчук К. Ю., Рудой Ю. Э. Одностадийная электронно- лучевая технология осаждения термобарьерных градиент- ных покрытий // Современ. электрометаллургия. – 2003. – № 2. – С. 10—16. 16. Мовчан Б. А., Яковчук К. Ю. Электронно-лучевые уста- новки для испарения и осаждения неорганических мате- риалов и покрытий // Там же. – 2004. – № 2. – С. 10—15. 17. Ratzer-Scheibe H.-J., Schulz U., Krell T. The effect of coa- ting thickness on the thermal conductivity of EB-PVD PYSZ thermal barrier coatings // Surface and Coatings Technology. – 2006. – № 200. – P. 5636—5644. 18. Мовчан Б. А., Демчишин А. В. Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, оксида алюминия и диоксида циркония // Физика металлов и металловедение. – 1969. – 28, № 4. – С. 653—660. 19. Schulz U., Fritscher K., Leyens C. Two-source jumping beam evaporation for advanced EB-PVD TBC systems // Surface and Coatings Technology. – 2000. – № 133, 134. – P. 40—48. 20. Processing science of advanced thermal barrier systems / S. Sanpath, U. Schulz, M. O. Jarligo, S. Kuroda // MRS Bulletinr. – 2012. – 37, № 10. – P. 903—910. 21. Low thermal conductivity oxides / W. Pan, S. R. Phillpot, C. Wan, A. Chernatinskiy // Ibid. – 2012. – 37, № 10. – P. 917—922. 22. Movchan B. A., Yakovchuk K. Yu. Advanced graded pro- tective coatings, deposited by EB-PVD // Materials Scien- ce Forum. – 2007. – № 546—549. – P. 1681—1688. Existing methods of reducing the heat conductivity of ZrO2—Y2O3 layer of modern thermal barrier coatings were analyzed. Given are the results of investigations of heat conductivity of some variants of external ceramic layer ZrO2—8 mass.% Y2O3 of 190 μm thickness, produced by the method of electron beam evaporation and condensation in vacuum at different values of substrate temperature, including the gradient layer ZrO2—8 mass.% Y2O3 + Gd2O3 in the 20...1000 °C interval of temperature measurements. Presented are the results of investigations of structure and properties (microhardness and thermocyclic life) of gradient thermal barrier coatings on samples of high-temperature alloy ZhS32VI and CMSX-4, containing a metallic high-temperature layer of NiCoCrAlY or NiAl, and also the external ceramic layer ZrO2—Y2O3, deposited at different technological parameters. It is shown that challenging directions for reducing the heat conductivity of external ceramic layer to the level of 0.9...1.2 W/m⋅K without the noticeable reduction (not more than 10 %) of their thermocyclic life is the deposition of ceramic layer with a gradient microstructure by adding of rare-earth oxides into its composition, as well as a gradual reduction in temperature of the substrate (part being protected) in the process of coating deposition. 22 Ref., 7 Figures. K e y w o r d s : condensation thermal barrier coatings; external ceramic layer; layer heat conductivity; zirconium dioxide; high-temperature alloys; thermocyclic life; thermal barrier coatings Поступила 03.11.2014 31

Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий

Репозитарії

Схожі ресурси